沈榮成，張秋菊

(1. 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122; 2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

0 引言

21世紀(jì)以來，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在孕育興起，全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢和特征[1]。以智能制造為中心的新一代工業(yè)革命正在興起，世界各國正在努力搶占科技發(fā)展的先機(jī)。美國提出了先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃；德國發(fā)布了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略。2015年中國發(fā)布了“中國制造2025”戰(zhàn)略等。其主線是以信息化與工業(yè)化深度融合，推進(jìn)智能制造的進(jìn)程。智能裝備是具有預(yù)測、感知、分析、推理、決策、控制功能的各類制造裝備的總稱[2]。智能制造工業(yè)革命的核心技術(shù)是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，而數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控正是智能制造的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)管控是指通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)多臺(tái)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行綜合管理和控制,完成數(shù)控程序傳輸、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、信息管理和交換等功能。數(shù)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化集成監(jiān)控管理可以提高數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)效率和車間的管理水平，是實(shí)現(xiàn)制造自動(dòng)化、智能化的重要手段。隨著制造過程自動(dòng)化、智能化要求的不斷提升，對(duì)數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)性能也隨之提出了新要求，如系統(tǒng)的擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、安全性、在線檢測、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等。監(jiān)控系統(tǒng)的適應(yīng)性、通用性也顯得越來越重要[3-4]。如何提高我國企業(yè)對(duì)數(shù)控設(shè)備的管理水平，開發(fā)出一套適合于廣大中小企業(yè)的數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)，具有重要的實(shí)際意義。

本文針對(duì)數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)方法進(jìn)行研究，利用Microsoft公司的WPF技術(shù)構(gòu)建了數(shù)控設(shè)備管控系統(tǒng)，利用通用RS232接口實(shí)現(xiàn)底層數(shù)控設(shè)備與上級(jí)管控系統(tǒng)的通訊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車間數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。該系統(tǒng)易于維護(hù)、便于測試，具有良好的擴(kuò)展性，對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)適合于廣大中小企業(yè)的數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

1 基于MVVM模式下的WPF簡介

Windows Presentation Foundation(WPF)是微軟的新一代顯示系統(tǒng)，架構(gòu)如圖1所示。使用WPF可以創(chuàng)建客戶端和瀏覽器應(yīng)用程序。本文應(yīng)用WPF框架生成給用戶帶來更好的視覺體驗(yàn)的Windows客戶端應(yīng)用程序。WPF的核心優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)與分辨率無關(guān)并且基于向量的呈現(xiàn)引擎，旨在利用現(xiàn)代圖形硬件的優(yōu)勢。WPF中使用XMAL(extensible application markup language)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)程序外的設(shè)計(jì)[5]。作為WPF跟MVP(model-view-presenter)結(jié)合演化過來的新型框架MVVM，能更好地應(yīng)用WPF的數(shù)據(jù)綁定特性，做到界面開發(fā)和業(yè)務(wù)邏輯分離，使系統(tǒng)功能模塊化，提高代碼的重用率[6]。

圖1 WPF架構(gòu)

MVVM框架的應(yīng)用使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理，提高了系統(tǒng)的可測試性，系統(tǒng)也具備良好的可擴(kuò)展性?；谝陨蟇PF技術(shù)的優(yōu)勢，本文將應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)車間數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)采用C/S開發(fā)模式，充分利用C/S模式的響應(yīng)速度快，界面開發(fā)多樣性，能處理復(fù)雜業(yè)務(wù)流程的優(yōu)點(diǎn)。本研究基于微軟.NET4.0應(yīng)用MVVM模式進(jìn)行開發(fā)，總體框架如圖2所示。在系統(tǒng)框架中視圖(View)層是系統(tǒng)頁面的顯示，在視圖模型(ViewModel)層中間包含為視圖準(zhǔn)備的表示模型和控制邏輯，View和ViewModel之間通過數(shù)據(jù)綁定(Bining)連接，實(shí)現(xiàn)交互；模型(Model)層中包括業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)訪問，在業(yè)務(wù)模型中定義了數(shù)據(jù)實(shí)體模型和業(yè)務(wù)邏輯；數(shù)據(jù)訪問層(Data Access Layer)運(yùn)用NKbibernate完成對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射，把對(duì)象中的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中[7]。系統(tǒng)中的本地?cái)?shù)據(jù)終端采集數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為本地?cái)?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源，管理系統(tǒng)將生成各類分析結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫中備份。

圖2 車間設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)總體框架圖

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)控設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。系統(tǒng)主要包括4個(gè)組成部分：數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端、設(shè)備層數(shù)據(jù)顯示終端、車間服務(wù)器監(jiān)控端、應(yīng)用層車間管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收端。其中，本地?cái)?shù)據(jù)采集監(jiān)控端屬于車間上位機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)本地端與數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用層軟件之間的信息交互，以實(shí)現(xiàn)本地端的監(jiān)控管理功能[8]；車間數(shù)據(jù)顯示終端屬于車間層顯示終端，用于實(shí)現(xiàn)顯示當(dāng)前機(jī)床狀態(tài)及各類參數(shù)等；車間層服務(wù)器監(jiān)控端屬于車間服務(wù)器，該服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與本地采集端之間的信息交流，并匯總所有的機(jī)床信息，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端監(jiān)控管理的功能；車間管理系統(tǒng)端屬于上層管理應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)與本地端之間的信息交互。

圖3 監(jiān)控管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

監(jiān)控管理系統(tǒng)的任務(wù)主要分為兩類，即周期性任務(wù)和非周期性任務(wù)[9]。周期性任務(wù)即為在固定的時(shí)間內(nèi)向數(shù)控機(jī)床發(fā)出特定的指令，并返回正確的結(jié)果。如：周期性的向數(shù)控機(jī)床提取各軸電流，速度，刀具號(hào)等。非周期任務(wù)即不定時(shí)地向數(shù)控機(jī)床發(fā)出指令并返回結(jié)果，如讀取報(bào)警狀態(tài)下的非正常數(shù)據(jù)等。本地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理功能的軟件是基于MVVM框架的WPF實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)的搭建，通過其豐富的控件和圖形渲染優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的查看，以圖表、折線圖、餅圖等形式呈現(xiàn)，并有一套完整的本地?cái)?shù)控設(shè)備相關(guān)信息的查詢功能，如數(shù)控設(shè)備管理，數(shù)控設(shè)備維修管理等，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的整理與分析。

2.3 監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控管理平臺(tái)應(yīng)用程序的總體結(jié)構(gòu)包括設(shè)備層、數(shù)據(jù)通訊服務(wù)層、核心功能層和應(yīng)用訪問層。本上位機(jī)軟件開發(fā)主要集中在數(shù)據(jù)通信服務(wù)層和核心功能層。

數(shù)據(jù)通訊服務(wù)層主要為機(jī)床提供通訊參數(shù)服務(wù)、命令服務(wù)、文件服務(wù)等。參數(shù)服務(wù)主要功能是為上層服務(wù)器提供讀取/修改無線串口服務(wù)器的參數(shù)數(shù)據(jù)的服務(wù)。命令服務(wù)是為上層服務(wù)器提供遠(yuǎn)程控制的服務(wù)，將命令組裝成相應(yīng)命令報(bào)文，通過無線傳輸向無線串口服務(wù)器傳輸。串口服務(wù)器會(huì)根據(jù)已設(shè)定好的映射條件(將IP地址映射成串口參數(shù))，通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)控機(jī)床。通過此過程可以執(zhí)行用戶的控制操作。文件服務(wù)是提供數(shù)控程序編程界面，為上層服務(wù)器提供數(shù)控加工程序的上傳下達(dá)，加工程序目錄的選擇及程序的統(tǒng)一管理及記錄程序修改的時(shí)間與修改人員，系統(tǒng)文件的卸載及加載，加工程序的選擇等。核心功能層將具體實(shí)現(xiàn)的功能分為3類：設(shè)備管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測和在線監(jiān)測。設(shè)備管理具體包括數(shù)控機(jī)床的參數(shù)管理、機(jī)床信息管理、維修信息管理等。實(shí)時(shí)監(jiān)測主要指數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，各軸狀態(tài)的監(jiān)測，PLC接受機(jī)床I/O信號(hào)的監(jiān)控，以及數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部位的監(jiān)控等。在線測試包括機(jī)床各軸的電流測試、數(shù)控機(jī)床故障模擬測試等[10]。

本文主要介紹車間上位機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件。軟件依據(jù)功能模塊分為6大功能模塊，如圖4所示。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、信息管理模塊、程序管理模塊、報(bào)表管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。在利用基于WPF的MVVM技術(shù)編程時(shí)，將每個(gè)模塊單獨(dú)編程并封裝，只留必要的數(shù)據(jù)接口，降低模塊與模塊之間的耦合性。

圖4 監(jiān)控管理軟件功能圖

a) 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)時(shí)顯示數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)于實(shí)時(shí)了解數(shù)控車間的運(yùn)行情況非常有必要。另外將監(jiān)測的數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保存至數(shù)據(jù)庫備份，將不正常數(shù)據(jù)(機(jī)床出現(xiàn)報(bào)警情況下的數(shù)據(jù))也保存至數(shù)據(jù)庫，便于后面分析機(jī)床出現(xiàn)報(bào)警的原因。車間工作人員可以通過機(jī)床處HMI設(shè)備查看機(jī)床的運(yùn)行情況，企業(yè)的工程師及管理人員可以通過上位機(jī)客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)查看車間數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)可分為4種：關(guān)機(jī)、加工、空閑和報(bào)警。關(guān)機(jī)是指機(jī)床處于完全關(guān)閉狀態(tài)；加工是指機(jī)床處于正常運(yùn)行加工狀態(tài)；空閑是指機(jī)床非關(guān)機(jī)狀態(tài)，也不處于加工狀態(tài)，而是處于加工前準(zhǔn)備階段。這時(shí)候機(jī)床操作人員可能是正在對(duì)機(jī)床進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可能是正在安裝毛坯或卸載零件；報(bào)警是指機(jī)床出現(xiàn)錯(cuò)誤警報(bào)，此時(shí)機(jī)床停機(jī)，等待操作員解除警報(bào)。

b) 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置包括用戶的注冊(cè)，用戶登錄及用戶權(quán)限。最大化保證各級(jí)人員對(duì)數(shù)控管理系統(tǒng)的訪問權(quán)限。有利于保證管理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

c) 信息管理模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)車間人員與機(jī)床一一對(duì)應(yīng)的記錄，車間數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)廠家、購買時(shí)間等信息的詳細(xì)記錄，車間數(shù)控設(shè)備的維修記錄。對(duì)各部分都實(shí)現(xiàn)了查看、添加修改、刪除等操作。人員與機(jī)床的對(duì)應(yīng)有利于管理層對(duì)員工干活效率的審核。

d) 程序管理模塊

目前車間設(shè)備程序下載麻煩費(fèi)時(shí)，且容易損害數(shù)控機(jī)床的外部接口，并且對(duì)于很大的程序無法實(shí)現(xiàn)在線加工。因程序的更改存在隨意性，一旦出現(xiàn)問題，無法追究責(zé)任。針對(duì)以上問題，通過數(shù)控機(jī)床的RS232接口，應(yīng)用無線串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，可以有效解決程序管理及程序上傳下達(dá)的傳輸問題。

1) 本研究運(yùn)用WPF出色的界面渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了類似Office的程序編輯界面，可以有效地提高程序編輯效率。

2) 軟件在檢測到當(dāng)前處于數(shù)控程序編輯狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)激活宏指令添加模塊，具體自動(dòng)檢測自動(dòng)添加的功能。

3) 程序自動(dòng)查錯(cuò)，主要是依據(jù)編程語句是否有語法錯(cuò)誤。有語法錯(cuò)誤將會(huì)在錯(cuò)誤部分顯示下劃線，以此提高編程的正確性。

4) 數(shù)控程序的修改是依據(jù)當(dāng)前登錄系統(tǒng)用戶，如果數(shù)控程序被檢測到已經(jīng)被修改，則會(huì)強(qiáng)制將添加一條程序修改記錄，保存至后臺(tái)，具體檢測數(shù)控程序的修改方法如圖5所示。

圖5 檢測程序是否被修改流程圖

數(shù)控程序的管理模塊主要包括數(shù)控程序的查看、修改、保存、對(duì)程序的創(chuàng)建時(shí)間、對(duì)程序修改時(shí)間，對(duì)程序的最后訪問時(shí)間、修改人等信息的記錄等。

e) 報(bào)表管理模塊

報(bào)表輸出是信息管理系統(tǒng)的重要組成部分，是用戶能夠按照標(biāo)準(zhǔn)的表格格式進(jìn)行輸出操作。WPF中DataGrid控件具有友好的界面，可方便地進(jìn)行報(bào)表操作，對(duì)于表格中顯示的數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)出Excel，Word等當(dāng)前流行的電子文檔。

f) 數(shù)據(jù)分析模塊

通過監(jiān)控管理軟件，不僅可以實(shí)時(shí)了解數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，還可對(duì)之前采集到的信息進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，得到有用的消息。對(duì)數(shù)控機(jī)床的歷史運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，可以獲得機(jī)床的利用率，從而總結(jié)出提高機(jī)床利用率的有效措施；可以獲得機(jī)床加工零件的平均時(shí)間，幫助合理安排零件的加工順序；可以實(shí)時(shí)監(jiān)控刀具的使用時(shí)間，通過刀具號(hào)進(jìn)行各個(gè)追蹤，每次使用時(shí)間進(jìn)行匯總，以此達(dá)到預(yù)警刀具故障、及時(shí)更換刀具、減少不必要時(shí)間的損失的目的。

具體統(tǒng)計(jì)刀具用時(shí)方法是，通過對(duì)數(shù)據(jù)庫中i_DNC _ToolManage表的查詢，應(yīng)用如圖6所示的sql語句，得出表1的數(shù)據(jù)。

圖6 刀具用時(shí)統(tǒng)計(jì)Sql語句

機(jī)床號(hào)刀具號(hào)總共時(shí)長/s114271213813123212052231823303314453219833123

3 數(shù)控設(shè)備上層監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

通過微軟的WPF設(shè)計(jì)的界面如圖7所示。在該頁面中，可以實(shí)時(shí)查看機(jī)床當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)?？梢酝ㄟ^點(diǎn)擊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的TreeViewItem查看當(dāng)前各機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。可以點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析模塊，查看對(duì)機(jī)床數(shù)據(jù)各類分析結(jié)果。

圖7 監(jiān)控管理系統(tǒng)機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)界面

4 結(jié)語

本文圍繞智能制造的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)——數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管控，基于WPF技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了集通訊、監(jiān)控、管理三位一體的數(shù)控設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過本聯(lián)網(wǎng)管控系統(tǒng)，不僅可以了解車間數(shù)控設(shè)備的實(shí)時(shí)狀況，而且可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，為車間生產(chǎn)計(jì)劃的安排提供數(shù)據(jù)支持。此系統(tǒng)是一個(gè)易于維護(hù)，便于測試，有良好的擴(kuò)展性的應(yīng)用系統(tǒng)。對(duì)廣大中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)管控具有一定的參考價(jià)值。